DE19641468A1

DE19641468A1 - Verbundkörper

Info

Publication number: DE19641468A1
Application number: DE1996141468
Authority: DE
Inventors: Hendrikus Van Den Dr Berg; Klaus Dr Dreyer; Udo Dr Koenig; Volkmar Sottke; Hartmut Dr Westphal
Original assignee: Widia GmbH
Current assignee: Widia GmbH
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 1998-04-16

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundkörper, der aus einem mit mindestens einer Lage beschichteten Substratkörper nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 besteht.

Die ersten, nach dem Stand der Technik bekanntgewordenen Beschichtungen bestanden aus Titancarbid mit einer Dicke bis zu 8 µm, womit eine verbesserte Verschleißschutzwirkung gegen den Freiflächenverschleiß erzielt werden konnte. Weiterhin gehören Doppel- oder Mehrfachbeschichtungen aus Titancarbid und Titan nitrid, insbesondere mit Titannitrid als Außenlage zum Stand der Technik, womit eine verminderte Kolkung bei zum Zerspanen eingesetzten Schneideinsätzen erreicht werden konnte. Zur wei teren Verbesserung solcher Schneideinsätze sind auch Mehrlagen beschichtungen mit der Schichtfolge TiC, Ti(C,N)-TiN vorge schlagen worden. Nachdem man erkannt hatte, daß die naturbe dingte Sprödigkeit von Keramiken, wie Al₂O₃ minimiert werden kann, wenn Al₂O₃ in dünnlagiger Form aufgetragen wird, sind auch aus TiC, Ti(C,N) und einer Außenlage aus Al₂O₃ bestehende Mehrfachbeschichtungen verwendet worden. Obwohl in der Patent literatur wie beispielsweise im Rahmen der ein spezielles Beschichtungsverfahren betreffenden EP 0 229 282 B1 generell von Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden der Elemente Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und/oder Tantal gesprochen wird, beschränkten sich die jeweils beschriebenen Ausführungsbeispiele auf Titanverbindungen als Beschichtungsma terial, zum Teil in Kombination mit Aluminiumoxid. Entsprechen des gilt hinsichtlich der ZrO₂ in Verbindung oder als Ersatz für oxidhaltige Beschichtungen. Erst in der DE 36 20 901 A1 oder der inhaltlich gleichlautenden EP 0 250 865 A1 ist ein Schneidwerkzeug beschrieben, dessen Schneide mit Titancarbid, Titancarbonitrid und/oder Titannitrid beschichtet ist und des sen äußere Deckschicht aus einer dünnen Zirkonnitridschicht bestehen soll. Das Zirkonnitrid, das schlechtere Verschleißei genschaften als die vorgenannten Titan-Verbindungen hat, soll eine Oxidation der unter dieser Schicht liegenden Basisbe schichtungen durch den Luftsauerstoff verhindern, womit die guten Verschleißeigenschaften der Titancarbid-, Titancarboni trid- und/oder Titannitridschichten voll erhalten bleiben. In der Praxis ist von Zirkoniumverbindungen als Beschichtungsmate rial ansonsten kein Gebrauch gemacht worden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen aus einem mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung versehenen Substrat körper bestehenden Verbundkörper zu schaffen, dessen Ver schleißeigenschaften beim zerspanen oder unter sonstiger abra siver Belastung im Hinblick auf eine verlängerte Standzeit ver bessert sind.

Diese Aufgabe wird durch den Verbundkörper nach Anspruch 1 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die einzige oder die äußere Schicht aus Zirkoncarbonitrid besteht und eine Dicke von mindestens 2 µm bis maximal 6 µm besitzt. Vorzugsweise Aus gestaltungen dieses Verbundkörpers sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So kann die Beschichtung mehrlagig ausgeführt sein, wobei unterhalb der äußeren Schicht aus ZrCN eine Schicht aus Al₂O₃ und/oder ZrO₂ angeordnet ist. Diese Oxidschicht hat eine Dicke von mindestens 2 µm, vorzugsweise 3 µm, die bei Schneideinsät zen an der Schneidecke vorliegen soll. Die Gesamtdicke der bei den äußeren Schichten aus Aluminium- und/oder Zirkoniumoxid einerseits und Zirkoncarbonitrid andererseits soll mindestens 5 µm, vorzugsweise maximal 10 µm betragen. Besonders gute Ver schleißeigenschaften ließen sich mit einer mehrlagigen Beschichtung erreichen, bei der unterhalb der äußeren Zirkon carbonitridschicht sowie ggf. der genannten Aluminium- und/oder Zirkondioxidschicht eine oder mehrere Lagen aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystemes angeordnet sind. Die Schichtfolge unter halb der ZrCN-Schicht bzw. der ZrCN- und/oder Al₂O₃-Schicht kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, vorzugsweise werden jedoch Carbide, Nitride und/oder Carbonitride des Titans, Zir koniums und/oder Hafniums verwendet, insbesondere in Form einer auf dem Substratkörper von innen nach außen aufgebrachten Schichtfolge aus TiN, TiCN, Al₂O₃ und ZrCN. Bevorzugt werden folgende Schichtdicken: TiN: 0,5 bis 2 µm; TiCN: 9 bis 13 µm; Al₂O₃: 2 bis 4,5 µm und ZrCN: 2 bis 4 µm.

Der Substratkörper besteht nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus Hartmetall, einem Cermet oder einem Keramik werkstoff. Das Substratkörper-Hartmetall kann beispielsweise aus einem mit 5,5 bis 8,5 Massen-% Cobalt, vorzugsweise 5,5 bis 6,5 Massen-% Cobalt als Binder gefertigten Wolframcarbidsinter körper bestehen. Alternativ kann der Substratkörper 1 bis 3 Massen-% TiC, 2 bis 5 Massen-% TaC, 1 bis 3 Massen-% NbC, 5,5 bis 8,5 Massen-% Cobalt, Rest WC aufweisen.

Zur Herstellung der genannten Beschichtungen bzw. Schichtfolgen wird vorzugsweise auf die nach dem Stand der Technik bekannten CVD- und/oder PCVD-Verfahren zurückgegriffen, bevorzugt sind die Carbonitrid-Schichten nach einem CVD-Verfahren unter Ver wendung von Acetonitril als C-N-Donator aufgetragen worden.

Wie bereits erwähnt, wird der Verbundkörper vorzugsweise als Schneideinsatz zum Zerspanen oder als abrasiv belastetes Ver schleißteil ausgebildet. In einem konkreten Ausführungsbeispiel besteht der Substratkörper aus einem 6 Massen-% Cobalt als Bin der enthaltenden Wolframcarbid, auf den von innen nach außen folgende Schichten in der angegebenen Dicke aufgetragen worden sind: 1 µm TiN, 10 µm TiCN, 4 µm Al₂O₃ und 3 µm ZrCN als Außen lage. Dieser als Schneideinsatz zum zerspanen (Fräsen, Bohren oder Drehen) ausgebildete Verbundkörper wies Standzeiten auf, die je nach Zerspanungsbedingungen 1,2- bis 4mal länger waren gegenüber mehrlagig beschichteten Verbundkörpern, die nach dem Stand der Technik bekannt sind und entweder TiN, Al₂O₃ oder ZrN als äußere Schicht aufwiesen.

Fig. 1 zeigt einen Schneideinsatz 10, dessen Schneidecke 11 im Schnitt entlang der Linie A-B in Fig. 1 schematisch abgebil det ist.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, ist auf den Substratkörper 12, der aus einem WC-Hartmetall mit 6% Co als Binder besteht, eine erste, 1 µm dicke Lage 13 aus TiN, eine zweite, 10 µm dicke Lage 14 aus TiCN, eine weitere 4 µm dicke Lage 15 aus Al₂O₃ und eine äußere, 3 µm dicke Deckschicht 16 aus ZrCN aufgetragen.

Wie aus den nachfolgenden Zerspanungsergebnissen ersichtlich, haben (unabhängig vom Wendeschneidplattentyp) die erfindungsge mäß beschichteten Wendeschneidplatten gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Wendeschneidplatten deutlich län gere Standzeiten.

1. Beispiel

Werkstück: Kugellagerring 152 ∅ × 36
Werkstückstoff: Stahl 100Cr6
Schnittgeschwindigkeit: 280 m/min
Vorschub: 0,8 mm/Umdrehung
Schnittiefe: 1,0 mm

2. Beispiel

Werkstück: Achszapfen 40 ∅ × 100
Werkstückstoff: Stahl C55
Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min
Vorschub: 0,7 mm/Umdrehung
Schnittiefe: 2,5 mm-3,0mm

3. Beispiel

Werkstück: Freilaufring
Werkstückstoff: Stahl Ck45
Schnittgeschwindigkeit: 220 m/min
Vorschub: 0,25 mm/Umdrehung
Schnittiefe: 2 mm

4. Beispiel

Werkstück: Antriebswelle 50 ∅ × 310
Werkstückstoff: Stahl 16MnCr5
Schnittgeschwindigkeit: 260 m/min
Vorschub: 0,4 mm/Umdrehung
Schnittiefe: 2 mm-3 mm

Claims

1. Verbundkörper, bestehend aus einem Substratkörper (12), mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung (13 bis 16) aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden des Ti, Zr, Hf, V, Nb und/oder Ta und/oder aus Al₂O₃ oder ZrO₂, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige oder äußere Schicht (16) aus ZrCN besteht und eine Dicke von mindestens 2 µm bis maximal 6 µm besitzt.
2. Verbundkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mehrlagig ist und unterhalb der äußeren Schicht (16) aus ZrCN eine Schicht (15) Al₂O₃ und/oder ZrO₂ angeordnet ist.
3. Verbundkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Al₂O₃ und/oder ZrO₂-Schicht (15) eine Dicke von min destens 2 µm, vorzugsweise 3 µm oder mehr aufweist.
4. Verbundkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der beiden äußeren Schichten (15, 16) aus Al₂O₃ und/oder ZrO₂ einerseits und ZrCN andererseits, min destens 5 µm und vorzugsweise maximal 10 µm beträgt.
5. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der ZrCN-Schicht (16) eine oder mehrere Schichten (13 bis 15) aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystemes angeordnet sind, vorzugsweise Carbide, Nitride und/oder Carbonitride des Titans, Zirkoniums und/oder Hafniums.
6. Verbundkörper nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine auf dem Substratkörper (12) von innen nach außen aufge brachte Schichtfolge (13 bis 16) aus TiN, TiCN, Al₂O₃ und ZrCN.
7. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn zeichnet durch folgende Schichtdicken: TiN: 0,5 bis 2 µm; TiCN: 9 bis 13 µm; Al₂O₃: 2 bis 4,5 µm und ZrCN: 2 bis 4 µm.
8. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkörper (12) aus Hartme tall, einem Cermet oder einer Keramik besteht.
9. Verbundkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall aus WC mit 5,5 bis 8,5 Massen-% Co, vor zugsweise 5,5 bis 6,5 Massen-% Co als Binder oder aus 1 bis 3 Massen-% TiC, 2 bis 5 Massen-% TaC, 1 bis 3 Massen-% NbC, 5,5 bis 8,5 Massen-% Co, Rest WC besteht.
10. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrlagige Beschichtung mittels CVD und/oder PCVD aufgetragen worden ist, vorzugsweise die carbonitridhaltigen Schichten nach einem CVD-Verfahren unter Verwendung von Acetonitril als C-N-Donator.
11. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Schneideinsatz zum Zerspa nen oder als abrasiv belastetes Verschleißteil ausgebildet ist.